(57)【要約】ポリマーマトリックス中にランダム配向分布で均一に配置された、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）／ポリマーフィルムまたはＣＮＴを含有するＣＮＴ／ポリマー複合構造体。ＣＮＴシートは、超音波を使用して混合された高分散ＣＮＴ−ポリマー−溶媒懸濁液を、コーティングプロセスを用いてキャリア上に塗布し、乾燥させて、ＣＮＴ／ポリマーフィルムを形成することによって製造される。ＣＮＴフィルムは、、電熱加熱、除氷、ワイヤおよびケーブルの遮蔽、熱伝導パッド、エネルギー貯蔵、熱放散、導電性複合材料、アンテナ、反射材、および落雷保護、ＥＭＰ保護、指向性エネルギー保護、およびシート、ロール紙、テープなどのさまざまなフォームファクタでのＥＭＩシールドなどの電磁環境効果（Ｅ３）に有用性を有するＣＮＴ複合材料積層体および構造体を製造するのに有用である。
2019527641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）／ポリマーフィルム構造体の製造方法であって、
ｉ）超音波処理を使用してカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ポリマー、および溶媒を混合してＣＮＴ−ポリマー懸濁液を形成する工程；
ｉｉ）溶媒キャストコーティング法、ディップコーティング法、およびスプレーコーティング法からなる群から選択される方法を用いて、ＣＮＴ−ポリマー懸濁液を可撓性キャリア上に塗布する工程；
ｉｉｉ）前記塗布したＣＮＴポリマー懸濁液および可撓性キャリアに熱を加え、溶媒を除去し、可撓性キャリア上にＣＮＴポリマーフィルムを残し、ＣＮＴ／ポリマーフィルム構造体を形成する工程；及び
ｉｖ）可撓性キャリアからＣＮＴ−ポリマーフィルム構造体を任意に除去する工程；
を有する、上記方法。
【請求項２】
前記可撓性キャリアが無孔性であり、広げられる（unrolled）かまたは連続的に押し出される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記可撓性キャリアが、
ｉ）金属箔、典型的には銅、アルミニウム、ステンレス鋼箔；
ｉｉ）ポリマーフィルム、典型的にはＰＥＴ、剥離表面を有するＰＥＴ、不織布、例えばセルロースまたはＰＥＴ、および被覆織布、例えばテフロン被覆ガラス繊維；
からなる群から選択される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ＣＮＴ懸濁液を塗布する工程中に、キャリア材料上に配置された可撓性基板をさらに含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記可撓性基板が広げられるかまたは連続的に押し出される請求項４に記載の方法。
【請求項６】
ＣＮＴ−ポリマーフィルム構造体が連続する細長い構造体である請求項５に記載の方法。
【請求項７】
フィルム構造体が９０重量％までのＣＮＴ濃度を有する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
ポリマーが、溶媒中の溶解度の限界までの濃度で溶媒中に溶解されている請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記混合工程が、高剪断ミキサーでの混合、超音波処理、またはそれらの組み合わせからなる群から選択されて、ＣＮＴを溶媒中に分散させる請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ＣＮＴを最初に溶媒に混合して分散させ、その後ポリマーをＣＮＴ−溶媒分散液に混合する請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ＣＮＴが、単層ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ）、多層ＣＮＴ（ＭＷＣＮＴ）、およびそれらの混合物からなる群から選択される請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
ＣＮＴが官能化されている請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ポリマーが、粉末、樹脂、および繊維からなる群から選択され、前記ポリマー材料が、
ｉ）ポリアミド、ＰＶＤＦ、ＰＥＩ、ＰＥＥＫ、ＦＥＰ、およびＰＴＦＥ、ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択される熱可塑性材料；
ｉｉ）ポリイミド、エポキシ、およびＢＭＩ、ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択される熱硬化性材料；
ｉｉｉ）シリコーン、ニトリルゴム、フルオロシリコーン、およびスチレン−ブタジエン、ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択されるエラストマー材料；及び
ｉｖ）それらの組み合わせ；
からなる群から選択される請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
ＣＮＴが、N-メチル-2-ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、アセトン、イソプロパノール、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、およびメチルエチルケトン（ＭＥＫ）、ならびにそれらの混合物からなる群から選択される有機溶媒中に分散される請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
溶媒が水を含み、ＣＮＴ懸濁液が場合により界面活性剤を含む混合助剤材料を含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ＣＮＴが酸性溶液中に分散されており、前記酸が硫酸、硝酸、およびクロロスルホン酸からなる群から選択される請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ＣＮＴが塩基性溶液中に分散されており、前記塩基が水酸化ナトリウムを有する請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ポリマーが熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であり、前記溶媒が前記ＣＮＴを分散させるのに十分に前記ポリマーを希釈する請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記処理が、ランダム配向の、均一分布のＣＮＴ構造体を提供する請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＣＮＴ懸濁液を塗布する工程が、ある程度のＣＮＴの配列を付与する請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記可撓性基板が、
ｉ．）非磁性誘電材料、例えばエポキシ、ポリアミド、またはポリイミド；及び
ｉｉ．）磁性誘電体材料、例えば、フェライト、フェライト充填エポキシ、フェライト充填ポリイミド、またはフェライト充填ポリアミド；
からなる群から選択される非導電性材料である請求項４に記載の方法。
【請求項２２】
ＣＮＴ懸濁液が充填剤または添加剤をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記充填剤の材料が導電性であり、かつ
ｉ．）ニッケルナノストランドおよび銀ナノワイヤからなる群から選択される金属ナノファイバまたはワイヤ；
ｉｉ．）細断ニッケル被覆炭素繊維からなる群から選択される金属化繊維；及び
ｉｉｉ．）グラフェンおよび金ナノ粒子からなる群から選択されるナノ粒子；
からなる群から選択される請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記充填剤の材料が非導電性であり、かつ
ｉ．）ポリアミドおよびポリイミドからなる群から選択される熱可塑性または熱硬化性繊維（丸型または多葉型）；
ｉｉ．）ポリアミドおよびポリイミドからなる群から選択される熱可塑性または熱硬化性粉末；
ｉｉｉ．）アルミナおよび窒化ホウ素からなる群から選択されるセラミック繊維；
ｉｖ．）アルミナ、窒化ホウ素、フェライト、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、ＭｎＺｎ、およびＮｉＺｎからなる群から選択されるセラミック粒子または粉末；
ｖ．）ナノ粒子；及び
ｖｉ．）それらの組み合わせ；
からなる群から選択される請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
得られるＣＮＴ構造体が、複数の明確に形成され積層されたＣＮＴ構造層を含み、さらに充填剤の材料を含むことができる請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記積層ＣＮＴ構造層が、導電層と非導電層とを交互に含むことができる請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
得られたフィルム構造体の表面に金属化合物の層を適用し、それによってその導電性を高める工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
ＣＮＴ懸濁液を塗布する工程がバッチ処理工程または連続工程であり、スパッタリング、物理蒸着、パルスレーザー蒸着、電子ビーム、化学蒸着、電気化学（電気メッキ）、および無電解コーティングからなる群から選択される請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）複合構造体を製造する方法であって、
ｉ）超音波処理を使用してカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ポリマー、および溶媒を混合してＣＮＴ−ポリマー懸濁液を形成する工程；
ｉｉ）溶媒キャストコーティング法、ディップコーティング法、およびスプレーコーティング法からなる群から選択される方法を使用して、ＣＮＴ−ポリマー懸濁液を可撓性多孔質基板上に塗布する工程；
ｉｉｉ）前記塗布されたＣＮＴ−ポリマー懸濁液および可撓性多孔質基板に熱を加えて、溶媒を除去し、ＣＮＴ−ポリマー材料および可撓性多孔質基板を含むＣＮＴ複合構造体を残す工程；
を有する、上記方法。
【請求項３０】
前記可撓性多孔質基板が広げられるかまたは連続的に押し出される請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
ＣＮＴ複合構造体が連続する細長い構造体である請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記ＣＮＴ複合構造体が、最大約９０重量％までのＣＮＴ濃度を含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記可撓性多孔質基板が、前記ＣＮＴ−ポリマー材料によって完全に包まれている請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
ポリマーが、溶媒中の溶解度の限界までの濃度で溶媒中に溶解されている請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
混合工程が、高剪断ミキサーでの混合、超音波処理、またはそれらの組み合わせからなる群から選択されて、ＣＮＴを溶媒中に分散させる請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
ＣＮＴを最初に溶媒に混合して分散させ、その後ポリマーをＣＮＴ−溶媒分散液に混合する請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
ＣＮＴが、単層ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ）、多層ＣＮＴ（ＭＷＣＮＴ）、およびそれらの混合物からなる群から選択される請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
ＣＮＴが官能化されている請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記ポリマーが、粉末、樹脂、および繊維からなる群から選択され、前記ポリマー材料が、
ｉ）ポリアミド、ＰＶＤＦ、ＰＥＩ、ＰＥＥＫ、ＦＥＰ、およびＰＴＦＥ、ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択される熱可塑性材料；
ｉｉ）ポリイミド、エポキシ、およびＢＭＩ、ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択される熱硬化性材料；
ｉｉｉ）シリコーン、ニトリルゴム、フルオロシリコーン、およびスチレン−ブタジエン、ならびにそれらの組み合わせからなる群から選択されるエラストマー材料；及び
ｉｖ）それらの組み合わせ；
からなる群から選択される請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記ＣＮＴが、N-メチル-2-ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、アセトン、イソプロパノール、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、およびメチルエチルケトン（ＭＥＫ）、ならびにそれらの混合物からなる群から選択される有機溶媒中に分散される請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記溶媒が水を含み、前記ＣＮＴ懸濁液が界面活性剤を含む混合助剤材料をさらに含む請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
ＣＮＴが酸性溶液中に分散されており、該酸が硫酸、硝酸、およびクロロスルホン酸からなる群から選択される請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記ＣＮＴが塩基性溶液中に分散されており、前記塩基が水酸化ナトリウムを有する請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記ポリマーが熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であり、前記溶媒が前記ＣＮＴを分散させるのに十分に前記ポリマーを希釈する請求項２９に記載の方法。
【請求項４５】
前記処理が、ランダム配向の、均一分布のＣＮＴ構造体を提供する請求項２９に記載の方法。
【請求項４６】
ＣＮＴ懸濁液を塗布する工程が、ＣＮＴのある程度の配列を付与する請求項２９に記載の方法。
【請求項４７】
前記連続する可撓性多孔質基板が、
ｉ．）カーボンファイバー；
ｉｉ．）金属材料、典型的にはワイヤ、箔、エキスパンド箔、およびメッシュまたは織布材料のうちの１つまたは複数を含む；
ｉｉｉ．）金属化織物材料、例えば金属化ＰＥＴ材料；及び
ｉｖ．）金属化不織布材料、例えば金属化炭素繊維；
からなる群から選択される導電性材料である請求項３０に記載の方法。
【請求項４８】
前記可撓性基板が、前記ＣＮＴ懸濁液を塗布する工程の間にキャリア材料の上に配置される請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
連続する基板材料は、ＣＮＴ懸濁液を塗布する工程の際、キャリア材料の幅を横切って引っ張られ、縦方向に配向するか又は一方向に配向される複数のスプールまたはロービングを含む導電性ワイヤまたは繊維のロールであり、ＣＮＴ懸濁液は、配向又は一方向のワイヤまたは繊維を被覆し、ＣＮＴ／ポリマー−ワイヤ（または繊維）複合ロールストック材料を形成する請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
ＣＮＴ懸濁液が充填剤または添加剤をさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項５１】
前記充填剤の材料が導電性であり、かつ
ｉ．）ニッケルナノストランドおよび銀ナノワイヤからなる群から選択される金属ナノファイバまたはワイヤ；
ｉｉ．）細断ニッケル被覆炭素繊維からなる群から選択される金属化繊維；及び
ｉｉｉ．）グラフェンおよび金ナノ粒子からなる群から選択されるナノ粒子；
からなる群から選択される請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記充填剤の材料が非導電性であり、かつ
ｉ．）ポリアミドおよびポリイミドからなる群から選択される熱可塑性または熱硬化性繊維（丸型または多葉型）；
ｉｉ．）ポリアミドまたはポリイミドからなる群から選択される熱可塑性または熱硬化性粉末；
ｉｉｉ．）セラミック繊維、例えばアルミナ、窒化ホウ素；
ｉｖ）アルミナ、窒化ホウ素、フェライト、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、ＭｎＺｎ、およびＮｉＺｎからなる群から選択されるセラミック粒子または粉末；
ｖ．）ナノ粒子；及び
ｖｉ．）それらの組み合わせ；
からなる群から選択される請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
結果として得られるＣＮＴ構造体が、複数の明確に形成され積層されたＣＮＴ構造層を含み、さらに充填剤の材料を含むことができる請求項５０に記載の方法。
【請求項５４】
前記積層ＣＮＴ構造層が、導電層と非導電層とを交互に含むことができる請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
得られたフィルム構造体、ＣＮＴ複合構造体、または多孔質ＣＮＴ−基板複合体の表面に金属化合物の層を塗布し、それによってその導電性を高める工程をさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項５６】
前記ＣＮＴ懸濁液を塗布する工程が、バッチ処理工程または連続工程であり、スパッタリング、物理蒸着、パルスレーザー蒸着、電子ビーム、化学蒸着、電気化学（電気メッキ）、および無電解コーティングからなる群から選択される請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）−基板複合体の製造方法であって、
ｉ）超音波処理を用いてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）と溶媒とを混合してＣＮＴ懸濁液を形成する工程；
ｉｉ）ディップコーティング法およびスプレーコーティング法からなる群から選択される方法を使用して、ＣＮＴ懸濁液を可撓性多孔質基板上に塗布する工程；
ｉｉｉ）前記塗布されたＣＮＴ懸濁液および可撓性多孔質基板に熱を加えて、溶媒を除去し、多孔性ＣＮＴ−基板複合材の多孔度が可撓性多孔質基板と実質的に同じである多孔性ＣＮＴ−基板複合材を残す工程；
を有する、上記方法。
【請求項５８】
前記可撓性基板が広げられるかまたは連続的に押し出される請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
多孔性ＣＮＴ−基板複合体が連続する細長い構造体である請求項５７に記載の方法。
【請求項６０】
多孔性ＣＮＴ−基板複合体が最大約９０重量％のＣＮＴ濃度を含む請求項５７に記載の方法。
【請求項６１】
混合する工程が、高剪断ミキサーでの混合、超音波処理、またはそれらの組み合わせからなる群から選択されて、ＣＮＴを溶媒中に分散させる請求項５７に記載の方法。
【請求項６２】
前記ＣＮＴが、単層ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ）、多層ＣＮＴ（ＭＷＣＮＴ）、およびそれらの混合物からなる群から選択される請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
ＣＮＴが官能化されている請求項６１に記載の方法。
【請求項６４】
ＣＮＴが、N-メチル-2-ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、アセトン、イソプロパノール、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、およびメチルエチルケトン（ＭＥＫ）、ならびにそれらの混合物からなる群から選択される有機溶媒中に分散されている請求項５７に記載の方法。。
【請求項６５】
前記溶媒が水を含み、前記ＣＮＴ懸濁液が界面活性剤を含む混合助剤材料をさらに含む請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記ＣＮＴが酸性溶液中に分散されており、前記酸が、硫酸、硝酸、およびクロロスルホン酸からなる群から選択される請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記ＣＮＴが塩基性溶液中に分散されており、前記塩基が水酸化ナトリウムを有する請求項６５に記載の方法。
【請求項６８】
前記処理が、ランダム配向の、均一分布のＣＮＴ構造体を提供する請求項５７に記載の方法。
【請求項６９】
ＣＮＴ懸濁液を塗布する工程がＣＮＴのある程度の配列を付与する請求項５７に記載の方法。
【請求項７０】
前記連続する可撓性多孔質基板が、
ｉ．カーボンファイバー；
ｉｉ．ワイヤ、箔、エキスパンド箔、およびメッシュまたは織布材料のうちの１つまたは複数を含む金属材料；
ｉｉｉ．金属化ＰＥＴ材料を含む金属化織物材料；及び
ｉｖ．金属化炭素繊維を含む金属化不織材料；
からなる群から選択される導電性材料である請求項５８に記載の方法。
【請求項７１】
前記可撓性基板が、
ｉ．エポキシ、ポリアミド、およびポリイミドからなる群から選択される非磁性誘電材料；及び
ｉｉ．フェライト、フェライト充填エポキシ、フェライト充填ポリイミド、およびフェライト充填ポリアミドからなる群から選択される磁性誘電材料；
からなる群から選択される非導電性材料である請求項５８に記載の方法。
【請求項７２】
ＣＮＴ懸濁液が充填剤または添加剤をさらに含む請求項５７に記載の方法。
【請求項７３】
前記充填剤の材料が導電性であり、かつ
ｉ．ニッケルナノストランドおよび銀ナノワイヤーからなる群から選択される金属ナノファイバーまたはワイヤー；
ｉｉ．細断ニッケル被覆炭素繊維からなる群から選択される金属化繊維；及び
ｉｉｉ．グラフェンまたは金ナノ粒子からなる群から選択されるナノ粒子；
からなる群から選択される請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記充填剤の材料が非導電性であり、かつ
ｉ．ポリアミドまたはポリイミドからなる群から選択される熱可塑性または熱硬化性繊維（円形または多葉）；
ｉｉ．ポリアミドまたはポリイミドからなる群から選択される熱可塑性または熱硬化性粉末；
ｉｉｉ．アルミナまたは窒化ホウ素からなる群から選択されるセラミック繊維；
ｉｖ．アルミナ、窒化ホウ素、フェライト、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、ＭｎＺｎ、またはＮｉＺｎからなる群から選択されるセラミック粒子または粉末；及び
ｖ．ナノ粒子；
からなる群から選択される請求項７２に記載の方法。
【請求項７５】
結果として生じるＣＮＴ構造体が、複数の明確に形成され積層されたＣＮＴ構造層を含み、さらに充填剤の材料を含むことができる請求項６２に記載の方法。
【請求項７６】
前記積層ＣＮＴ構造層が、導電層と非導電層とを交互に含むことができる請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
得られたフィルム構造体、ＣＮＴ複合構造体、または多孔質ＣＮＴ−基板複合体の表面に金属化合物の層を適用し、それによってその導電性を高める工程をさらに含む請求項５７に記載の方法。
【請求項７８】
ＣＮＴ懸濁液を塗布する工程がバッチ処理工程または連続工程であり、スパッタリング、物理蒸着、パルスレーザー蒸着、電子ビーム、化学蒸着、電気化学（電気メッキ）、および無電解コーティングからなる群から選択される請求項７７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
本発明は、一般にカーボンナノチューブに関し、より詳細にはカーボンナノチューブから材料および構造体を形成する方法に関する。
【０００２】
カーボンナノチューブの優れた機械的性質は、ナノチューブベースの高性能構造材料およびデバイス並びに多機能ナノ構造材料およびデバイスの開発において使用することができる。直径がナノメートルで長さが数ミクロン、長さが最大で数ミリメートルのカーボンナノチューブが製造されている。ファンデルワールス力によりナノチューブ間で強い相互作用が生じ、カーボンナノチューブから形成される材料及び構造体に良好なチューブ分散、良好なチューブ接触、及び高いチューブ充填量を必要とすることができる。
【０００３】
カーボンナノチューブは、非導電性ポリマーを導電性材料に変換する最良のナノ充填剤材料の１つとして実証されている。導電性粒子で充填されたポリマーの導電率は、パーコレーション現象の観点から議論されている。パーコレーションしきい値よりも低い低濃度では、電子は依然として導電性充填剤粒子間の絶縁性マトリックスを通って移動しなければならないので、導電性は絶縁性ポリマーマトリックスの導電性に非常に近いままである。パーコレーションしきい値と呼ばれる充填剤の臨界体積分率に達すると、導電率は数桁劇的に増加する。これは、巨視的サンプルにわたる三次元ネットワークを形成する充填材料の導電経路の形成と同時に起こる。電子は、今や主に充填剤に沿って移動し、ある充填剤から別の充填剤へと直接移動することができる。充填剤材料の量をさらに増やすと、複合材料またはフィルムの導電率、最大導電率が安定する。
【０００４】
ポリマー／カーボンナノチューブ複合材料に関して報告されているパーコレーションしきい値は、分散、アスペクト比、純度およびＣＮＴの配列などのいくつかの要因によって強く影響されるので、かなりのばらつきがある。ナノチューブ間の強いファンデルワールス相互作用がナノチューブを一緒に束ねるため、分散はおそらく最も基本的な問題である。これらの相互作用は、ポリマー−ポリマー相互作用よりも著しく大きく、〜０．５ｅＶ／ｎｍであることが見出された。ＣＮＴフィルムは、ナノチューブを溶媒（ＤＦＭ、トルエン、ＭＥＫなどの有機溶媒、または水性とすることができる）中に分散させる多段階プロセスによって製造することができる。ＣＮＴの分散は超音波処理または高剪断混合を使用して行うことができる。ポリマー組成物は、好ましくは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＥＴ、ＰＣ、およびＰＶＤＦなどの熱可塑性物質、又はポリイミド、ポルウレタン、及びエポキシなどの熱硬化性物質、又はポリウレタンゴム及びシリコンゴムなどのフェノール性エラストマーを有する。
【０００５】
一般に、複合材料において効果的な補強を提供するためのナノチューブに対する主な要件は、良好な分散、界面応力伝達、大きなアスペクト比、および配向である。これらの技術では、最初に、場合により選択された有機溶媒を用いて、十分に分散されたナノチューブ懸濁液が調製され、高剪断混合および／または超音波処理を用いて混合される。その後、所望の重量パーセント（重量％）比でポリマーが添加される。ＣＮＴフィルムは、テフロン被覆ガラス繊維またはテフロン被覆ケブラーのような無孔質シート材料上に形成される。ＣＮＴ−ポリマー懸濁液は、溶媒キャストコーティング法、ディップ法、およびスプレーコーティング法からなる群から選択される方法を使用して、乾燥するまで加熱された可撓性キャリア材料上に塗布することができる。溶媒を蒸発させた後、製造されたナノチューブフィルムは、キャリア材料から剥がすことができる。
【０００６】
導電性、熱伝導性、及び高性能ナノ複合材料などの多くの用途は、制御されたナノ構造（密度、多孔度、分散、配向及び量）を有するナノチューブをネットワーク又は膜（厚さ５〜２００μｍ）に予備成形することによって行われる。これらの膜はまた、ナノチューブ材料及びその特性を、取り扱いが容易なようにマクロスケール材料に変換することを可能にする。濾過によって形成されたこれらのナノチューブネットワークは、文献においてバッキーペーパー（buckypaper）又はＣＮＴ不織布と呼ばれている。バッキーペーパーは、ナノチューブを懸濁液中に分散させ、生成した懸濁液を濾過する多段階プロセスによって製造される。製造したＣＮＴ不織布は、従来の表面ベール、炭素繊維、又はガラス材料と同様に容易に取り扱うことができる。これらのＣＮＴ不織布は多孔質であり、炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）複合材料への統合などの含浸を必要とする用途に役立つ。しかしながら、これらのＣＮＴ不織布は引張強度が低く、ワイヤ及びケーブル用のシールドテープのようないくつかの用途を制限する。また、ＣＮＴ不織布の電気特性は、狭い程度にしか調整できない。ＣＮＴ／ポリマー複合材料は、ＣＮＴ不織布をはるかに超える電気的及び機械的な調整可能性の両方を可能にし、設計者により多くの設計の余地を与える。場合によっては、非常に高いアスペクト比のＣＮＴ（＞２５００）を使用すると、あるＣＮＴ装填量についてＣＮＴ不織布よりも導電率の増加が観察されている。
【０００７】
現在の不連続技術またはバッチ技術は、ナノチューブ−ポリマー懸濁液で基板をコーティングするか、または型に流し込むことによってのみＣＮＴ／ポリマーフィルムを製造することができる。寸法は金型サイズの基板サイズによって制限される。これらの技術では、ナノチューブ−ポリマー懸濁液を最初に、場合により選択された界面活性剤を用いて調製し、高剪断混合および／または超音波処理を用いて混合する。次いで、懸濁液をキャストするか又は基板をディップコーティングし、乾燥させて、ＣＮＴ／ポリマーフィルムを形成する。
【０００８】
スロットダイコーティング、ナイフまたはブレードコーティング、グラビアコーティング、ロールコーティング、スライドコーティングなどの溶媒キャストフィルムを製造するために存在する既存の技術があり、ポリマーフィルムを製造するカーテンコーティング、押出し、ディップコーティング、及びスプレーコーティングなどの他の方法がある。例えば、ＮＭＰ／ＰＶＤＦフィルムを用いて電池電極が製造される。活性炭は、これらのポリマーフィルムに用いられて、ベース金属箔への導電体として作用する。活性炭は、剪断ミキサー、遊星ミキサー、および／または他の機械的ミキサーを用いてＰＶＤＦ−溶媒スラリーに混合される。高アスペクト比のカーボンナノチューブ（＞２５００）および超高アスペクト比のＣＮＴ（１００，０００以上に近い）は、そのような方法を用いて適切に分散させることはできない。超音波処理は、ある液体中で高分散品質を達成するためにＣＮＴ束へ十分なエネルギーを導入するのに必要である。
【０００９】
それにもかかわらず、そのような構造に対する新たな技術的ニーズおよび市場のニーズを満たすために、工業的および商業的規模でＣＮＴフィルムを製造する方法が依然として必要とされている。
【発明の要約】
【００１０】
カーボンナノチューブ−ポリマーフィルムおよび他のＣＮＴ複合構造体の連続製造のための方法および装置が本明細書において提供される。
【００１１】
本発明は、ＣＮＴ−ポリマーフィルム構造体を形成する方法を含み、この方法は、キャリア材料上に、ＣＮＴとポリマーと溶媒との分散体を含むある体積の溶液をコーティングして、ＣＮＴの均一分散を有するＣＮＴ−ポリマー溶液の層を提供し、該コーティングしたＣＮＴ−ポリマー溶液を乾燥させて溶媒を除去し、ＣＮＴフィルムとする工程を含む。ＣＮＴは、単層ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ）または多層ＣＮＴ（ＭＷＣＮＴ）を含むことができる。ＳＷＣＮＴは少なくとも５ミクロンの中央長および少なくとも２，５００：１のアスペクト比を有することができ、ＭＷＣＮＴは少なくとも５０ミクロンの中央長および少なくとも２，５００：１のアスペクト比を有することができる。
【００１２】
本発明は、カーボンナノチューブ−ポリマーフィルムを製造する方法を含み、該方法は、ｉ）高出力超音波処理を用いてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）およびポリマーを溶媒中に分散させる工程；ｉｉ）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の懸濁液を連続し、移動するキャリア材料（剥離ライナーとして機能することができる）上に塗布する工程；ｉｉｉ）塗布したＣＮＴ懸濁液から溶媒を蒸発させて、キャリア材料上にＣＮＴ／ポリマーフィルムを形成する工程；及びｉｖ）場合により、得られたＣＮＴシートをキャリア材料から除去する工程；を有する。
【００１３】
本発明は、連続複合ＣＮＴ構造体を製造する連続方法をさらに含み、該方法は、ｉ）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）およびポリマーを溶媒中に高出力超音波処理を用いて分散させる工程；ｉｉ）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の懸濁液を連続し、移動する多孔質基板材料上に塗布する工程；ｉｉｉ）塗布したＣＮＴ懸濁液から溶媒を蒸発させて、キャリア材料上にＣＮＴ／ポリマー−基板複合体を形成する工程；及びｉｖ）場合により、キャリア材料からＣＮＴシートを除去する工程；を有する。
【００１４】
本発明はさらに、連続ＣＮＴシートを製造する連続方法を含み、該方法は、ｉ）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）およびポリマーを溶媒中に分散させる工程；ｉｉ）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の懸濁液を連続し、移動する多孔質基板材料上に塗布する工程；ｉｉｉ）塗布したＣＮＴ懸濁液から溶媒を蒸発させて、絡み合ったＣＮＴ−基板構造体を形成する工程；を有し、多孔質基板は、乾燥時に、ＣＮＴ／ポリマー懸濁液によって完全にカプセル化されるのがよい。
【００１５】
本発明はまた、充填剤材料を含むカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）−ポリマーフィルムを製造する方法であって、ｉ）充填剤材料の添加と共に、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）およびポリマーを高出力超音波処理を用いて溶媒中に分散させ、ＣＮＴ懸濁液を形成する工程；ｉｉ）ＣＮＴ懸濁液を連続し、移動するキャリア材料（剥離ライナーとして機能することができる）上に塗布する工程；ｉｉｉ）塗布したＣＮＴ懸濁液から液体を蒸発させて、キャリア材料上に充填したＣＮＴ／ポリマーフィルム構造体を形成する工程；及びｉｖ）場合により、充填したＣＮＴ／ポリマーフィルム構造体シートをキャリア材料から除去して、充填剤材料を有するＣＮＴ−ポリマーフィルムを形成する工程；を有する方法を含む。
【００１６】
公開日2016年2月4日の、参照により本明細書に組み入れられるPCT公報WO2016/019143（General Nano LLC）は、フィルタ材料上にＣＮＴ懸濁液を塗布し、フィルタ材料を通して分散液を引き出すことによってＣＮＴシート構造体を提供するＣＮＴ構造体の製造を記載する。ＣＮＴシートは、多孔質基板および／またはキャリアシート上に形成することができ、積層体または複合層としてＣＮＴシートと共に残ることができるか、又はＣＮＴ構造体の形成後にＣＮＴシートから分離することができる。
【００１７】
本発明のある面において、連続するキャリア材料は、ＣＮＴ懸濁液に対して本質的に非多孔質である連続するフィルム、シート、または布材料である。連続するキャリア材料は、ＣＮＴポリマーフィルムの製造および乾燥の間中およびそれに沿ってコーティングされたＣＮＴポリマー懸濁液を引っ張るための安定かつ弾力性のある構造を提供する。連続するキャリア材料は、コーティング済み又は未コーティングの不織布、織布、またはポリマーフィルムを含むことができる。これには、テフロン（登録商標）としても知られるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含むがこれらに限定されない疎水性ポリマー、およびナイロンまたはＰＥＴとしても知られる脂肪族ポリアミドを含むがこれらに限定されない親水性ポリマーが含むことができる。他のキャリアには、銅、アルミニウム、およびステンレス鋼などの金属箔が含まれる。シリコン処理ＰＥＴなどの表面処理を施したキャリアは、ＣＮＴ−ポリマーフィルムの剥離を援助するのに選択することができる。
【００１８】
本発明のある面において、連続する多孔質基板材料は、連続する多孔質フィルム、シート、または布材料である。金属被覆織布または金属メッシュまたはエキスパンド箔またはスクリーン材料も多孔質基板材料として使用することができる。他の例示的なキャリアとしては、炭素繊維不織布、ポリエステル不織布、ポリエステル織布、ガラス繊維不織布、およびＰＥＥＫ不織布が挙げられる。
【００１９】
ＣＮＴ−ポリマー分散液を多孔質基板材料上にコーティングして、ＣＮＴ−基板複合材料を形成することができる。
【００２０】
本発明の別の面において、複数のスプールまたはロービング（roving）からの金属ワイヤまたは繊維の連続ロールを、縦方向にキャリア材料の幅を横切って引っ張ることができる。次に、配向するか又は一方向の金属ワイヤ上にＣＮＴ−ポリマー分散液を被覆して、ＣＮＴ−金属ワイヤ複合ロールストック材料を形成することができる。このプロセスは引き抜き成形プロセスに似ているが、樹脂の代わりにＣＮＴ分散液を使用して繊維をカプセル化する。引抜成形法の非限定的な例は、US特許出願公開US2011/0306718号およびUS特許第5,084,222号に開示され、それらの開示はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００２１】
本発明のさらなる面において、二次ＣＮＴ−ポリマーフィルム層を、キャリア上の得られた乾燥ＣＮＴフィルムまたは構造体の上面に塗布することができる。二次層を用いて、一次コーターの限界を超えてＣＮＴフィルムまたは構造体の厚さを増大させることができるか、又は機能的にそのような絶縁を第１のＣＮＴフィルムまたは構造層に加えることができる。第３、第４、またはそれ以上のコーティングを所望の膜厚または機能的に設計された積層構造に施すことができる。例えば、積み重ねられたときに非常に高い電磁遮蔽特性を有する薄い構造体を提供する、導電性および非導電性フィルム層の交互の層。別の例は、交互にｎドープされた半導体層とｐドープされた半導体層とを有するフィルム構造体を構築する。
【００２２】
本発明の別の面において、乾燥したＣＮＴ−ポリマーフィルムまたはＣＮＴ−基板複合材料を金属化して、導電性をさらに向上させることができる。金属適用プロセスは、スパッタリング、物理蒸着、パルスレーザー蒸着、電子ビーム、化学蒸着、電気化学（電気メッキ）、および無電解コーティングからなる群から選択されるバッチ処理プロセスまたは連続プロセスとすることができる。
【００２３】
製造されたＣＮＴフィルムは、約１．５以下の相対密度（水に対する）を有する。
【００２４】
製造されたＣＮＴ−ポリマー構造体の相対密度は、約１．０以下とすることができ、約０．８以下、約０．７以下、約０．６以下、約０．５以下、約０．４以下、および０．２５以下などの約０．３以下とすることができる。
【００２５】
本発明のさらなる面において、ＣＮＴ、またはＣＮＴフィルムまたはそれから製造される構造体の物理的または機能的特性を改変するために、分散前にＣＮＴを化学的に処理することができる。
【００２６】
本発明の別の面において、ＣＮＴを、有機酸または無機酸を含み、溶液ｐＨが１．０未満である酸性溶液に浸漬することによって前処理することができる。酸の非限定的な例は硝酸である。あるいは、またはさらに、ＣＮＴフィルムを酸溶液で後処理して、フィルム表面を官能化または粗面化することができる。
【００２７】
本発明の別の面において、充填剤をＣＮＴ懸濁液に添加して、得られるＣＮＴフィルムまたは構造体に機能性を付加することができる。これには、カーボンナノファイバー、グラフェン、ガラス繊維、炭素繊維、熱可塑性繊維、熱硬化性繊維、ガラスマイクロバブル、ガラス粉末、熱可塑性粉末、熱硬化性粉末、ニッケルナノワイヤ、ニッケルナノストランド、細断ニッケル被覆炭素繊維、セラミック粉末、セラミック繊維、またはそれらの混合物などの導電性および／または非導電性充填剤の添加が含まれる。例えば、ニッケルナノストランドを形成されたＣＮＴ構造体に添加して導電性および透過性を高めることができる。これらの特性はＥＭＩ遮蔽特性を増大させる可能性がある。他の例として、多葉型ポリイミド繊維をＣＮＴ不織布へ添加して炭素繊維複合材料系の機械特性を向上させ、該複合材料系に多機能性を加えることが挙げられる。
【００２８】
本発明の別の面において、ＣＮＴ不織布構造体は、互いに積み重ねられているかまたは一緒に積層されている、明確に形成されたＣＮＴシートを複数含むことができる。積み重ねられた層は充填剤または添加剤材料も含むことができる。充填剤材料の例として、カーボンナノファイバー、グラフェン、ガラス繊維、炭素繊維、熱可塑性繊維、熱硬化性繊維、ガラスマイクロバブル、ガラス粉末、熱可塑性粉末、熱硬化性粉末、ニッケルナノワイヤ、ニッケルナノストランド、またはそれらの混合物が挙げられる。例えば、グラフェンを含む溶液を、本明細書に記載の連続製造方法を使用して、予め形成されたＣＮＴ不織布層上に配置しそして結合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、分散したＣＮＴを含む溶液を作製し、ＣＮＴ溶液の下または中に多孔質基板を通過させてＣＮＴ／ポリマーフィルム構造体を形成する方法を示す。
【図２】図２は、ＣＮＴ／ポリマーフィルム構造体を形成する代替方法を示す。
【図３】多孔性を有する多孔性ＣＮＴ−基板複合体を形成する代替方法を示す。
【発明の詳細な説明】
【００３０】
本明細書で使用されるとき、用語「有する（comprise）」、「有する（comprising）」、および「含む（including）」は、そうでないことが明示的に示されていない限り、開かれた非限定的な用語であることを意図する。
【００３１】
本明細書で使用されるとき、ＣＮＴの「自立型」シートまたは構造体は、バラバラになることなく、形成、またはキャリア材料からの分離、および取り扱いまたは操作が可能なものである。
【００３２】
材料の「連続する」シートは、材料の幅よりも桁違いに大きい長さを有する細長い材料、および材料のロールである。
【００３３】
本発明のＣＮＴ構造体を形成する方法は、導電性ポリマーフィルムの従来の方法および連続的で拡張可能な方法に対する改良である。ＣＮＴ構造体を形成する方法は、溶媒中に高度に分散されたＣＮＴの懸濁液を形成する工程または段階、ある体積のＣＮＴ懸濁液をコーティングしてキャリア材料上にＣＮＴ懸濁液の均一な湿潤層を設ける工程または段階、およびＣＮＴから溶媒を乾燥する工程または段階を含み、ＣＮＴフィルムまたは構造体を形成する。
【００３４】
懸濁液の製造
連続長のＣＮＴフィルム構造体を製造する際の第１の工程は、水および／または有機溶媒を含むことができる液体中にＣＮＴの懸濁液を製造することを含む。場合により、ポリマー材料を懸濁液に添加することができる。液体はまた、前記液体中のＣＮＴの分散および懸濁を改善および安定化するための１つまたは複数の化合物、およびこの方法によって製造されたＣＮＴ構造体の機能特性を改善する１つまたは複数の化合物を含むことができる。
【００３５】
水が規模において好ましい分散液であるが、他の非溶媒和液を使用してＣＮＴを分散および処理することができる。本明細書で使用されるとき、用語「非溶媒和（non-solvating）」は、本質的にＣＮＴと非反応性であり、ＣＮＴが本質的に不溶性である液体形態の化合物を指す。他の適切な非溶媒和液体の例には、アセトン、エタノール、メタノール、イソプロパノール、n-ヘキサン、エーテル、アセトニトリル、クロロホルム、ＤＭＦ、ＴＨＦ（テトラヒドロフラン）、ＮＭＰ（N-メチル-2-ピロリドン）、ＭＥＫ（メチルエチルケトン）、ＤＭＡＣ、およびそれらの混合物からなる群から選択される揮発性有機液体が含まれる。溶媒を容易かつ迅速に除去することができ、結果として生じるＣＮＴ構造体の乾燥を容易にすることができるように、低沸点溶媒が典型的には好ましい。
【００３６】
分散液は、ＣＮＴおよび湿式（wet-laid）ＣＮＴ構造体の形成、分散、湿式形成、または脱水を補助するために、１種または複数の界面活性剤（例えば、分散剤、凝集防止剤）を任意に含むことができる。例えば、ＢＹＫ−９０７６（BYK Chem USA製）、トリトン（Triton）Ｘ−１００、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム塩（ＮａＤＤＢＳ）、およびＳＤＳを使用することができる。
【００３７】
カーボンナノチューブは、乾燥したバルク形態で提供することができる。ＣＮＴは、典型的には、少なくとも約０．１ｍｍ（１００ミクロン）、少なくとも約０．２ｍｍ、少なくとも約０．３ｍｍ、少なくとも約０．４ｍｍ、少なくとも約０．５ｍｍ、少なくとも約１ｍｍ、少なくとも約２ｍｍ、および少なくとも約５ｍｍなどの少なくとも約０．０５ｍｍ（５０ミクロン）からなる群から選択される中央長を有する絡み合い可能なＣＮＴを含むことができる。ＣＮＴは、絡み合い可能な単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）、および絡み合い可能な多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）と言うことができる。典型的なＳＷＣＮＴは、約１〜２ナノメートルのチューブ直径を有する。典型的なＭＷＣＮＴは、約５〜１０ナノメートルのチューブ直径を有する。本発明において有用なＭＷＣＮＴの例は、米国特許第8,753,602号（その開示はその全体が参考として援用される）に開示されるか又は記載されている方法によって製造されたものである。そのようなカーボンナノチューブは、長く垂直配向したＣＮＴを含むことができ、General Nano LLC（Cincinnati、OH、USA）から市販されている。米国特許第8,137,653号（参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）は、反応チャンバ内で、電気アーク放電によって部分溶融触媒電極を蒸発させ、蒸発した触媒蒸気を凝縮して触媒を含むナノ粒子を形成し、そしてナノ粒子の存在下でガス状炭化水素を分解して、触媒ナノ粒子の表面上にカーボンナノチューブを形成する工程を有する、カーボンナノチューブ、および実質的に単層ＣＮＴの製造方法を開示している。
【００３８】
図１は、ＣＮＴを含む溶液を製造する非限定的な方法を例示する。ＣＮＴの供給物（１）を適切な容器（４）中の溶液（５）に混合する。溶液は溶媒（２）およびポリマー材料（３）を含むことができる。ＣＮＴを適切なミキサー（６）を用いて溶液（５）中に分散させる。
【００３９】
水性液体中のＣＮＴ濃度は、少なくとも１ｍｇ／Ｌの懸濁液から最大約１０ｇ／Ｌであり、これは分散および懸濁を促進し、分散液中のＣＮＴの凝集または凝結を最小限に抑える。本発明の様々な態様において、ＣＮＴ濃度は少なくとも約５００ｍｇ／Ｌ、少なくとも約７００ｍｇ／Ｌ、最大約５ｇ／Ｌ、最大約１ｇ／Ｌ、最大約５００ｍｇ／Ｌである。さらに、水性懸濁液は、約１重量％以下のＣＮＴ、約０．５重量％以下のＣＮＴ、約０．１重量％以下のＣＮＴ、約０．０７重量％のＣＮＴ、約０．０５重量％以下のＣＮＴ、および少なくとも約０．０５重量％のＣＮＴなどの少なくとも約０．０１重量％のＣＮＴからなる群から選択されるＣＮＴレベルを有することができる。
【００４０】
一般に、ＣＮＴは、当技術分野で公知の１つまたは複数の撹拌または分散装置を使用して、混合条件下で、ある量の分散液に添加される。ＣＮＴ懸濁液はバッチ法または連続法で製造することができる。ある態様において、水性液体中のＣＮＴの混合物は、従来の超音波処理装置を使用して超音波処理を受ける。ＣＮＴの水懸濁液はまた、米国特許第8,283,403号（その開示はその全体が参考として組み込まれる）に記載されている、高剪断混合およびマイクロ流体混合技術を使用して形成することができる。ＣＮＴを液体中に分散させるための高剪断混合装置の非限定的な例は、Charles Ross＆Sons CompanyからSLIMテクノロジーとして入手可能である、粉末を高剪断ローター/ステーターミキサーに注入することにより、ＣＮＴ粉末及び液体のインライン（連続）混合のいずれかのバッチ用の、パワーインジェクションシステムである。液体中にＣＮＴを分散させる超音波処理装置の非限定的な例は、Hielscherから超音波プロセッサ技術として入手可能である、粉末を高出力超音波処理プローブに注入することによるＣＮＴ粉末と液体のインライン（連続）混合のいずれかのバッチ用のソノトロード（sonitrode）またはソノトロード（sonitrode）アレイである。
【００４１】
電力数Ｎｐは、混合のための無次元数として一般的に使用される。それは次のように定義される。
Ｎｐ＝Ｐ／（ω３Ｄ５ρ）。
ここで、Ｐ＝ミキサーの電力入力、
ω＝ミキサーの回転速度、
Ｄ＝ミキシングブレードの直径、及び
ρ＝液体の分散密度。
【００４２】
混合スケールを比較するために、コルモゴロフ（Kolmogorov）混合スケールλをＣＮＴの平均長さＬに類推することができる。
λ＝（ν３／ε）１／４。
ν＝分散液の動粘度、及び
ε＝単位質量当たりの乱流運動エネルギーの散逸率。
【００４３】
絡み合い可能なＣＮＴの場合、νははるかに高い（より粘性が高い）。したがって、λは大きくなるが、線形よりもわずかに小さくなる。しかし、同じポストミキシングの長さに到達するには、（４乗までの力（4ｔｈ Power））多くのエネルギーが必要である。また、εはＰ（ミキサーの電力入力）とほぼ線形になるはずである。
【００４４】
特定の理論に縛られることなく、液体中の絡み合い可能なＣＮＴを混合および分散させることの結果として、個々のＣＮＴはそれらのそれぞれの束から脱凝集し始めることができると考えられる。典型的には、混合および分散工程に供されるＣＮＴの長さは、得られる分散ＣＮＴの長さよりも長く、例えば、中央長は少なくとも約０．００５ｍｍからなる群から選択され、および少なくとも２，５００：１のアスペクト比からなる群から選択される。中央長は少なくとも０．１ｍｍ、少なくとも約０．２ｍｍ、少なくとも約０．３ｍｍ、少なくとも約０．４ｍｍ、少なくとも約０．５ｍｍ、少なくとも約１ｍｍ、少なくとも約２ｍｍ、および少なくとも約５ｍｍとすることができる。ＣＮＴの中央長は、１ｍｍから２ｍｍの間、１ｍｍから３ｍｍの間、及び２ｍｍから３ｍｍの間からなる群から選択される範囲を有することができる。アスペクト比は、少なくとも５，０００：１、少なくとも１０，０００：１、少なくとも５０，０００：１、および少なくとも１００，０００：１とすることができる。
【００４５】
液体中のＣＮＴの得られた懸濁液は、少なくとも数日間以上安定である。ＣＮＴ分散液の均一性を確実にするために、フィルムコーティングプロセスで使用する前に、ＣＮＴの懸濁液を混合して攪拌することができる。
【００４６】
分散液はまた、１つ以上の充填剤または機能性充填剤材料を任意に含むことができる。機能性充填材料は、本明細書に記載の方法によって製造されるＣＮＴシートまたは構造体の特性を調整することができる特性を有するものであり得る。そのような機能充填剤（または特性）は、非磁性誘電体材料、磁性誘電体材料、非導電材料、導電材料を含むことができる。材料は、粒子、集塊、繊維及びその他を含むことができる。非磁性誘電材料の例には、エポキシ、ポリアミド、およびポリイミドが含まれる。磁性誘電体材料の例には、フェライト、フェライト充填エポキシ、フェライト充填ポリイミド、およびフェライト充填ポリアミドが含まれる。非導電性材料の例には、ポリアミド、ポリイミド、円形または多葉の熱可塑性繊維、ならびにポリアミドおよびポリイミド熱硬化性粉末を含むがこれらに限定されない熱可塑性材料または熱硬化性材料が含まれる。非導電性材料の他の例には、例えばアルミナ、窒化ホウ素を含むセラミック繊維、例えばアルミナ窒化ホウ素を含むセラミック粉末、Ｆｅ２Ｏ３及びＦｅ３Ｏ４を含むフェライト、ＭｎＺｎ、ＮｉＺｎ、及びグラフェンと金ナノ粒子を含むナノ粒子が含まれる。導電性材料の例には、例えばニッケルナノストランドおよび銀ナノワイヤを含む金属ナノファイバーまたはワイヤ、例えばチョップドニッケル被覆炭素繊維を含む金属化繊維（metalized fiber）、ならびに例えばグラフェンおよび金ナノ粒子を含むナノ粒子が含まれる。
【００４７】
コーティングとＣＮＴフィルム構造体の形成
ＣＮＴフィルム構造体を製造する第２の工程は、溶媒キャストコーティング法、ディップコーティング法、およびスプレーコーティング法からなる群から選択される方法を用いて、ある体積のＣＮＴ懸濁液をキャリア材料上に通過させ、ＣＮＴ−ポリマー懸濁液を可撓性キャリア材料上に塗布することを有する。ＣＮＴ懸濁液を加熱して溶媒を追い出し、キャリア層上にＣＮＴ−ポリマーフィルムを形成することができる。
【００４８】
コーティングの際、ＣＮＴ懸濁液はキャリア上に均一に分散され、ＣＮＴ懸濁液はキャリア材料の全幅に渡って均一な黒色の湿潤層として現れる。典型的には、乾燥ＣＮＴフィルム構造体は１０％以下の変動係数（ＣＯＶ）の均一性を有し、ＣＯＶは周知の従来の方法によって測定される。
【００４９】
キャリア材料は、金属箔（例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼）、ポリマーフィルム（例えば、ＰＥＴ、剥離表面を有するＰＥＴ）、不織布（例えば、セルロース、ＰＥＴ）または被覆織布（例えば、テフロン被覆ガラス繊維）の群から選択される、ＣＮＴ懸濁液に対して本質的に無孔である可撓性の弾性シート材料である。
【００５０】
得られるＣＮＴ構造体の所望の坪量は、プロセス条件、装置、および使用される材料を含むいくつかのパラメータによって影響を受ける。一般に、必要とされる坪量が大きくなるほど、必要とされるＣＮＴ濃度が高くなり、および／または分散液量が大きくなり、および／または真空ゾーン面積が大きくなり、および／または適用される真空度が高くなり、および／または真空ゾーン上のフィルター材料の線速度が遅くなる。これらのパラメータの全てを操作して、その厚さ、密度、および多孔度を含む、ＣＮＴ不織布シートの特定の所望の特性を達成することができる。
【００５１】
図１はまた、ＣＮＴを含む溶液を多孔質基板上に塗布することを例示する。連続ロール（１８）上に示される多孔質基板（８）の供給は、ＣＮＴ溶液（９）の下または中を通過し、そこでＣＮＴは多孔質基板（８）上に堆積され、ＣＮＴ溶液の液体から分離される。ＣＮＴ溶液の液体部分を通過する多孔質基板（８）の下に多孔質担体（７）を使用することができる。熱源として、Ｑを用いて、得られたＣＮＴ／ポリマーフィルム構造体（１０）から残留液体を除去することができる。ＣＮＴ／ポリマーフィルム構造体（１０）は連続ロール２０として集めることができる。追加量のＣＮＴ溶液（１９）を提供して第２又は追加のＣＮＴ構造層を形成することができる。
【００５２】
図２に示す代替法では、多孔質基板（８）をＣＮＴ溶液（９）の中に又はＣＮＴ溶液（９）に通過させ、そこでＣＮＴを多孔質基板（８）上に堆積させ、ＣＮＴ溶液（９）の液体から分離し、結果として、連続ロール２２として集めることができるポリマーフィルム構造体（１２）を得る。
【００５３】
図３に例示する他の方法では、ＣＮＴ懸濁液（１５）は、ＣＮＴ（１）を溶媒（２）中に混合することによって形成される。ある量（２９）のＣＮＴ懸濁液（１５）が多孔質基板（８）の上または中を通過する。ＣＮＴ懸濁液の液体部分が分離された後、残留液体の除去を除去するために必要な加熱が行われる。得られた多孔性ＣＮＴ−基板複合材料（１３）は、可撓性多孔質基板（８）と実質的に同じ空隙率を有し、ロール（２３）上に集めることができる。
【００５４】
ＣＮＴフィルムとＣＮＴ複合構造体
本発明により製造されたＣＮＴフィルムまたはＣＮＴ複合材料は、単独でまたは複合構造体もしくは積層体の一部として使用されると、電気的特性を含む多数の機械的および機能的な利点および特性を提供することができる。ＣＮＴフィルムおよび複合ラミネートならびにそれらの構造体は、大きな構造体または装置においてＣＮＴを用いて長く連続的な熱経路および電気経路を構成するために使用することができる。ＣＮＴフィルムおよびその複合材料およびその構造体は、航空宇宙、通信、ならびに電力線およびケーブル、風力エネルギー装置、スポーツ用品などを含む非常に多種多様な製品および技術において使用することができる。ＣＮＴフィルムおよびその複合材料およびその構造体は、高強度及び導電性を有する軽量の多機能複合材料構造体として有用である。ＣＮＴフィルムシートおよびその複合材料およびその構造体は、所望且つ商業利用可能な幅のロールストックで提供することができ、従来の商品製造システムに組み込むことができる。
【００５５】
ＣＮＴフィルム及びその複合材料および構造体によって提供できる機能特性およびその調整の非限定的な例は、シート、ロールストック、テープなどのさまざまな形態での、電熱加熱、除氷、ワイヤおよびケーブル用の遮蔽、熱伝導パッド（thermal interface pad）、エネルギー貯蔵、放熱、導電性複合材料、アンテナ、反射板、および落雷保護、ＥＭＰ保護、指向性エネルギー保護、ＥＭＩシールドなどの電磁環境効果（Ｅ３）である。
【００５６】
ＣＮＴの機能化
ＣＮＴ不織布シートの機能特性は、それらの分散および懸濁前の、ＣＮＴの処理によって影響を受ける可能性がある。ＣＮＴの処理は化学的処理または機械的処理を含むことができる。
【００５７】
本発明のある態様において、ＣＮＴの機能特性は、それらの分散および懸濁前の、ＣＮＴの酸処理によって影響を受ける可能性がある。酸処理は、ＣＮＴ中のアモルファスカーボンおよび他の欠陥のレベルを減少させることによって、ＣＮＴの純度および品質を改善すると考えられている。バルク状ＣＮＴ粉末を強酸（硝酸）で処理すると、エンドキャップ切断、およびＣＮＴ側壁へのカルボキシル基の導入を引き起こす可能性がある。ＣＮＴ側壁へのカルボキシル基の付加はまた、ＣＮＴの親水性を増大させることによって、水または他の極性溶媒中へのＣＮＴの分散を高めることができる。個々のナノチューブ上のアモルファスカーボンコーティングの除去は、架橋接合部の濃度およびより高い曲げ弾性率を増加させ、それはより多くの導電性トンネルおよび接続を作り出すことができる。ＣＮＴエンドキャップ切断は、カーボンナノチューブの端部から隣接するカーボンナノチューブへの電子移動度を改善する（トンネリング）ことによって導電性を改善することができる。同様に、形成後の酸処理は導電率を改善し、構造体の密度を増加させることができる。
【００５８】
ＣＮＴの酸処理は、ＣＮＴ相互作用ならびに電荷保持能力および輸送能力を向上させる。ＣＮＴの酸処理もポリマー複合材料との架橋を増強することができる。特定の理論に縛られることなく、酸酸化中に、グラファイト層の炭素−炭素結合ネットワークが破壊され、カルボキシル、フェノールおよびラクトン基の形で酸素単位を導入することが可能になり、さらなる化学官能化に広く利用されると考えられている。
【００５９】
ＣＮＴの前処理は、ＣＮＴを酸性溶液に浸漬することを含むことができる。酸性溶液は濃縮溶液または発煙溶液であり得る。酸は有機酸または無機酸から選択することができ、１．０未満の溶液ｐＨを提供する酸を含むことができる。酸の例は、硝酸、硫酸、およびそれらの混合物または組み合わせである。本発明のある態様において、酸は硝酸と硫酸との３：１（質量）の比である。
【００６０】
酸後処理の代わりにまたはそれに加えて、ＣＮＴ粉末または形成されたＣＮＴシートまたは構造体は、Nanotube Superfiber Materials、Chapter 13、Malik et al（2014）（この開示はその全体が参考として組み込まれる）に記載されているように、低圧／大気圧プラズマで官能化することができる。活性ガスおよびキャリアガスとしてそれぞれ酸素およびヘリウムを使用するSurfx Atomflo 400-D反応器は、ＣＮＴおよびＣＮＴシートまたは構造体をプラズマ官能化するための適切なベンチスケール装置を提供する。代替のプラズマ装置は、ロールストックを含むＣＮＴシートまたは構造体の連続機能化のための線形プラズマヘッドを含むことができる。大気圧プラズマ装置は低温で酸素プラズマ流を発生させ、それはＣＮＴおよびＣＮＴ構造体への損傷を最小にするかまたは防止する。一例では、Ｈｅを一定流量３０Ｌ／分で供給することによりプラズマが形成され、Ｏ２の流量（０．２〜０．６５Ｌ／分）を所望のプラズマ出力にしたがって調整する。ＣＮＴに対するプラズマ処理によって誘発された構造的および化学的修飾は、接着を促進するか又は他の機械的もしくは電気的性質を修飾するために調整することができる。さらに、プラズマ官能化を使用して、ＣＮＴフィルムまたは構造体の表面を清浄にするか、表面分子を架橋するか、又は追加の官能基を付着させることができる表面上に他の極性基を生成することさえできる。ＣＮＴフィルムまたは構造体がプラズマ官能化によって影響を受ける程度は、ラマン分光法、ＸＰＳ、ＦＴＩＲ分光法および接触角試験によるＣＮＴ材料の疎水性の変化を用いて、特性確認することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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